Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

140

перетворених молекул чи іонів речовин), тобто ступінь змін пропорційний дозі випромінювання:

D kC / B ,

де D – доза випормінювання; k – коефіцієнт пропорційності; С – концентрація утвореного продукту; В – вихід одного продукту радіаційно-хімічної реакції, ρ – густина речовин, з якою провзаємодіяло іонізуюче випромінювання.

В радіаційній хімії показник В прийнято виражати числом молекул, атомів або вільних радикалів, які утворюються (або витрачаються) при поглинанні енергії випромінювання 100 еВ, а концентрацію продукту – моль/м3. Тоді наведений вище вираз перетворення на наступний:

D = (10,96· 107 C )/ Bρ

де D виражається в Дж/кг.

Широкого розповсюдження зараз набув феросульфатний дозиметр, в основу якого покладено окиснення Fe2+ у Fe3+ за дії іонізуючої радіації. Він містить насичений повітрям розчин солі FeSO4 у розбавленій сірчаній кислоті (H2SO4). В розчині у наслідок електролітичної дисоціації присутні іони Fe2+. За дії іонізуючої радіації відбувається радіоліз води з утворенням вільних ОН•, Н+ та окиснювачів, які окиснюють Fe2+ в Fe3+.

Fe2+ + ОН•	Fe3+ ОН•
Fe2+ + Н2О2	Fe3+ ОН- + ОН•
Fe2+ + Н+ + НО2•	Fe3+ + Н2О

Поява Fe3+ змінює оптичну густину розчину, яку вимірюють спектрофотометрично. Діапазон виміру доз 20 – 400 Гр (верхня межа потужності дози 103 Гр/с, похибка – 0,5-1%).

Для більш високих доз випромінювання (103 – 105) використовують церієвий дозиметр, який становить собою розчин Ce(SO4)3 в слабкий Н2SO4. Опромінення розчинів повинно відбуватися в посуді з кварцу, стійких сортів скла (наприклад скло „пірекс”) або тефлону.

Характеристики деяких хімічних дозиметрів наведені в табл. 6.5. Одна з модифікацій хімічного методу дозиметрії вимірювання

прозорості певного скла або інтенсивності його забарвлення за дії іонізуючої радіації. У вже згаданому люмінісцентному методі

Таблиця 6.5. Характеристика деяких хімічних дозиметрів, які основані на використанні водних розчинів і гелів

						141
	Хімічний склад	Густина,	Межа виміру, Гр		Похибка,	Спосіб
		103кг/м3			%	реєстрації
			Нижня	Верхня
	10-3M FeSO4,
	10-3M NaCl в	1,003-1,237	40	400	1	c
	0,1-4,0M H2SO4
	5∙10-3 M FeSO4,
	10-2M CuCO4 в	1,001	5∙102		1	c
	5∙10-3 M H2SO4
	10-3M FeSO4,
	10-3M C6H5COOH	1,032	0,25	30	1	c
	в 0,5M H2SO4
	1∙10-3 -5∙10-2 M	1,024-1,030	103	105	1	c
	Ce(SO4)3 в 0,4 M
	(10-4-103)M
	метиленового	1,002	102	7∙103	15	к
	блакитного в
	10-2М H2SO4
	5∙10-5 M
	фенолового	1,003	102	103	3	к
	червоного в
	0,1М H2SO4
	10-3-10-5 хініна	1,000	0,05	3∙102	5	л
	20% розчин	1,080	105	2∙106	5	п
	глюкози
	0Б04% розчин	1,000	0,1	10	10	в
	поліакриламіду
	1% агар-агар,
	1% С6H5COONa,
	0,2% С6H5COOH	1,000	20	120	15	к
	0,003%
	метиленового
	блакитного

Примітка: М – концентрація моль/л в розчині; спосіб реєстрації: с- спектрофотометрично, к – колориметрично, л – люмінісцентно, п – вимір кута обертання площини поляризації, в – вимір в’язкості.

дозиметрії метафосфатному склу, яке містить аргентум, алюміній, фосфор, оксиген, літій та інші домішки за дії γ-випромінювання в діапазоні 10 – 104 Гр відбувається потемніння, оскільки воно забарвлюється. Це ж скло з домішкою кобальту змінює свою прозорість за дії доз іонізуючого випромінювання в діапазоні 102 – 104 Гр. Силікатне скло з домішкою NiO змінює свою прозорість в

142

діапазоні доз 0,5 – 8∙102 Гр. Для розглянутого скла вказані діапазони доз, де існує лінійна залежність між оптичною щільністю і дозою.

Хімічні методи дозиметрії мають ряд позитивних рис, але вони суттєво поступаються за чутливістю фотографічним, іонізаційним, сцинціляційним і люмінісцентним методам. Крім того, вони потребують значно більшого часу дослідження і витрат матеріалів.

Активаційний метод дозиметрії нейтронів. Цей метод використовується для визначення великих доз опромінення нейтронами в присутності інтенсивного γ-випромінювання, тобто за аварійних ситуацій.

Найчастіше в активаційних детекторах використовують реакції, в яких приймають участь 31P i 63Cu з кадмієвим фільтром та 63Сu без фільтра. Детектор з 31P, в якому відбувається ядерна реакція 31P(n,p)32Si з кадмієвим фільтром реєструє швидкі нейтрони (Е=0,5–20 МеВ) в діапазоні доз 0,2 – 2∙104 сГр; з 63Cu (реакція 63Cu(n,γ)64Cu) і кадмієвим фільтром – проміжні за енергією (Е=0,5 кеВ – 0,5 МеВ) в діапазоні доз 0,14 – 1,5∙104 сГр, а з 63Cu без кадмієвого фільтру – теплові нейтрони (Е=0,025 – 0,5 еВ) в діапазоні доз 10-3 – 9∙102 сГр. Маса фосфорного детектора приблизно 300мг, розміри 1х15х20мм, мідних – 240 мг, розміри 1х15х20 мм. Їх можна використовувати як аварійні індивідуальні дозиметри.

Існують також інші детектори нейтронів, в основу яких покладено активаційний метод. Це зокрема такі, в яких відбуваються наступні ядерні реакції: 23Na(n,γ)24Na; 32S(n,p)32P; 27Al(n,p)28Mg; 55Mn(n,γ)56Mn; 115In(n,γ)116In; 107Ag(n,γ)108Ag; 197Au(n,γ)198Au.

У всіх детекторах такого типу вимірюються, як правило - активність з використанням спеціальних детекторів, у більшості торцевих. Дози опромінення визначають для різних за енергією нейтронів за встановленими співвідношеннями.

Трекові методи дозиметрії нейтронів. При розгляді іонізаційних детекторів вже було описано камеру Вільсона, яка є трековим детектором. Траєкторію руху заряджених частинок та утворених γ- квантами вторинних електронів можна виявити і у фотоемульсіях. Існують також подібні детектори і для дозиметрії нейтронів. Речовиною, в якій виникають зміни за дії нейтронів може бути скло, слюда, нітроцелюлоза, пластмаса та ін. Вздовж траєкторії ушкоджена речовина має підвищену розчинність, і при хімічному травленні плавиковою кислотою (HF) або лугами (KOH, NaOH) траєкторії стають видимими під мікроскопами.

143

Прикладом трекового дозиметра для нейтронів може бути детектор ІКС, який містить пластинку скла, до складу якої входить літій. Він реєструє дозу від γ-випромінювання та теплових і повільних нейтронів, причому чутливість до нейтронів приблизно в 100 разів вище, ніж до γ-випромінювання. Ще один приклад, дозиметр „Діна” для реєстрації проміжних і швидких нейтронів, який складається з двох слюдяних або скляних пластинок, між якими знаходяться 237Np в сплаві з алюмінієм. Вони оточені фільтром з 10В. Після опромінення детектор протравлюють в 5% плавиковій кислоті протягом 9хв. Діапазон виміру дози нейтронів для тканин 0,05 – 50 Гр з похибкою

10%.

Існують також інші трекові детектори нейтронів. Так, для визначення спектру за енергіями нейтронного випромінювання та дозиметричних характеристик у повітрі створено трековий спектрофотометричний детектор „Дісней” з речовинами, які містили 235U, 237Np, 238U з фільтрами з 10B і активаційним детектором , який також знаходиться всередині цього фільтру. Цей детектор може визначати дози від опромінювання нейтронами в діапазонах енергії:

0,01 – 0,4; 0,4 – 400 МеВ; 400 еВ – 0,56 МеВ; 0,56 – 1,4 МеВ; 1,4 – 2,8

МеВ; 2,8 – 10,0 МеВ.

Недоліком трекових детекторів нейтронів на основі 235U, 237Np, 238U

єїх висока вартість та радіаційна небезпека від цих речовин. Колориметричний метод. В основі цього метода лежить

вимірювання за допомогою спеціальних колориметрів (від лат. calor – тепло та гр. metreo – вимірювання) кількості тепла, яке виділяється при поглинанні енергії випромінювання речовинами.

Існуючі методи дозиметрії іонізуючих випромінювань використовуються у створених приладах-детекторах. Вони розділяються на три групи: 1) радіометричні або радіометри – призначені для виміру активностей радіоактивних зразків та джерел випромінювання, визначення щільності потоку або інтенсивності випромінювань, поверхневої активності предметів, питомої активності аерозолів, газів, рідин, твердих речовин; 2) дозиметричні або дозиметри – для виміру експозиційної та поглинутої дози або відповідних потужностей цих доз, за розрахунками – еквівалентної дози; 3) спеціальні установки та пристрої для ядерно-фізичних досліджень.

6.2. Біологічна дозиметрія

144

В основі біологічної дозиметрії лежать різноманітні методи біологічної індикації радіаційного ураження людини, які поділяються на:

-цитогенетичні, що основані на аналізі структурних порушень (аберацій) хромосом в клітинах периферійної крові чи кісткового мозку;

-гематологічні, що основані на дослідженні кількості та співвідношення формених елементів периферійної крові (як правило

вгострий радіаційний період);

-молекулярно-генетичні, що основані на виявленні соматичних клітин з мутаціями по окремим генним локусам (GPA-TCR, HPRT-HLA, Hb тощо) за допомогою проточної цитометрії;

-імунобактеріологічні, що основані на виявленні змін імунної реактивності опроміненого організму та складу мікробної флори покривних тканин та кишечника;

-біохімічні, що базуються на виявленні змін біохімічних властивостей крові та сечі;

-біофізичні, що дозволяють реєструвати після радіаційні зміни біофізичних властивостей біологічних молекул (біолюмінесценція, електрохемілюмінесценція, метод ЕПР-дозиметрії зразків емалі

виділених зубів).

Цитогенетичний метод. Широко застосовується аналіз хромосомних аберацій в культурі лімфоцитів периферійної крові людини. Лімфоцити являють собою унікальний за своїми властивостям об’єкт для цитогенетичних досліджень. Основні переваги культури лімфоцитів людини:

1)простота отримання вихідного матеріалу (декілька мл периферійної крові) та висока концентрація необхідних клітин (в 1 мл крові міститься (1-3)•106 лімфоцитів, які здатні до бластотранформації при культивуванні);

2)лімфоцити периферійної крові знаходяться в стані покою на стадії G0 клітинного циклу, тобто в культурі популяція лейкоцитів знаходиться в синхронному стані;

3)невисокий спонтанний рівень хромосомних аберацій в культурі лімфоцитів периферійної крові здорових особин та висока радіочутливість хромосом лімфоцитів, у порівняння із іншими клітинами, за опромінення як в умовах in vivo , так і in vitro, що дозволяє реєструвати зростання індукованих опроміненням аберацій за умов відносно низьких доз опромінення;

4)показана кількісна залежність утворення радіаційноіндукованих аберацій хромосом в лімфоцитах від дози опромінення.

145

практично однаковий вихід їх при ідентичному опроміненні клітин

in vivo та in vitrо, тобто при опроміненні самої людини чи зразків крові цієї людини. Це дозволяє використовувати дозові криві (калібрувальні дозові криві) для визначення частоти аберацій, які отримані при опромінення зразків крові in vitrо для оцінки поглиненої дози при опроміненні людини;

5)ідентичність радіочутливості за цитогенетичними показниками лімфоцитів периферійної крові та кісткового мозку;

6)можливість дослідження радіочутливості хромосом клітин людини в залежності від фаз мітотичного циклу;

7)використання даної тест-системи дозволяє проводити експериментальні дослідження безпосередньо на клітинах людини і не потрібна екстраполяція ефектів, які отримано на інших модельних системах;

8)висока мобільність лімфоцитів у кров’яному руслі, розподілення лімфатичних вузлів по всьому організму, властивість лімфоцитів акумулювати аберації хромосом дозволяють робити висновки стосовно радіочутливості організму в цілому.

Для проведення досліджень вибирають два типа аберацій –

стабільні та нестабільні. Нестабільні аберації (дицентрики і центричні кільця) – зникають при проходженні клітини через мітоз, і приводять до втрати хромосомою центромери чи до утворення хромосом із декількома центромерами, що обумовлює неможливість подальшого поділу клітини. Аналіз нестабільних аберацій дозволяє оцінювати дозу опромінення лише в найближчий термін після впливу (2-4 місяці), оскільки при цьому необхідно враховувати і природне оновлення пулу лімфоцитів периферійної крові.

Принцип визначення поглиненої дози представлено виходячи із виявленої частоти дицентриків у лімфоцитах крові опроміненої людини (рис.6.12).

Вихід дицентриків Υ описується рівнянням: Υ = А + αD + βD2,

де А – спонтанний рівень частоти дицентриків; α – лінійний коефіцієнт, що відображає однотрековий механізм індукції аберацій; β – квадратичний коефіцієнт, що відображає ефективність взаємодії міжтрекових пошкоджень в утворенні аберацій хромосом; D – доза опромінення, Гр.

Клітини із стабільними абераціями (транслокаціями) можуть проходити стадію мітозу. У зв’язку із цим, стабільні аберації, що виникають у стовбурових клітинах, можуть зберігатись тривалий час

146

та виявлятись у зрілих лімфоцитах периферійної крові через багато років після опромінення.

Число дицентриків (Y) на 100 клітин

60

40

20

0 1 2 3 4

Доза, Гр

Рис.6.12. Калібрувальна дозова крива для хромосомних аберацій (частоти дицентриків) за опромінення лімфоцитів крові людини.

На сьогодні, окрім аналіз хромосомних аберацій для вивчення радіаційного мутагенез в соматичних клітинах людини використовують і інші методи. Для реєстрації стабільних хромосомних аберацій використовують метод флуоресцентної in situ гібридизації клітин (FISH-метод), який засновано на селективному зафарбовуванні гомологічних пар хромосом за допомогою специфічних до певних послідовностей ДНК молекулярних зондів.

Метод визначення частоти сестринських хроматичних обмінів

(СХО) являє собою обміни генетичним матеріалом між гомологічними ділянками сестринських хроматид. СХО не являються абераціями, оскільки не пов’язані із змінами морфології хромосоми, однак їх частота зростає при опроміненні клітин на предсинтетичній стадії циклу.

Частоту хромосомних пошкоджень можна досліджувати за допомогою мікроядерного тесту. Мікроядра формуються при діленні аберрантної клітини із хромосомного матеріла, що не містить

147

центром ери, однак часто включає в себе і центричні фрагменти хромосом.

Молекулярно-генетичний метод. Існує кілька методів визначення генних мутацій, які засновані на виявленні змін білкових продуктів внаслідок мутацій у відповідних генах. Як правило використовують еритроцити та лімфоцити периферійної крові. На сьогодні досліджують мутації в п’яти генетичних локусах, що контролюють гемоглобін (Hb), глікофорин А (GPA), гіпоксантин-гуанін- фосфорибозил-трансферазу (HPRT), головний комплекс гістосумісності (HLA) та Т-клітинний рецептор (TCR).

Визначення мутацій по локусу Т-клітинного рецептора (TCR). Т-

клітинний рецептор (Т-сеll receptor - TCR) відіграє важливу роль в розпізнаванні антиген та активації зрілих Т-лімфоцитів. TCR-гени мають аутосомну локалізацію. Однак, у більшості зрілих Т-клітин експресується лише один алель кожного із TCR-генів. Мутації, що відбуваються в активному алелі, можуть виявлятись на основі змін властивості Т-клітинного рецептора утворювати комплекс із СD3антигеном. Тому мутантні Т-клітини (на відміну від немутантних) не зв’язують антитіла до СD3-антигена, що реєструється за допомогою проточної цитометрії. Після радіаційного опромінення число TCRмутантних клітин в периферійній крові зростає у часі, а потім знижується. Тому число цих клітин залежить від дози опромінення лише в інтервалі 2-4 років після впливу. Це обумовлює можливість використання методу лише в ранній період після опромінення.

ГГФРТ-тест. Основано на визначенні мутацій в локусі гіпоксантин-гуанін-фосфорибозил-трансферази (HPRT) лімфоцитів периферійної крові. Клітини з мутацією в локусі ГГФРТ можна виявити по іх властивості рости у присутності тіогуаніна на відміну від немутантних клітин, які за даних умов гинуть. Ген, що кодує даний фермент, локалізується в Х-хромосомі, причому, незалежно від пола активний лише один алель. Тому виявляється люба мутація в активному алелі, що призводить до втрати активності ферментe. Оскільки радіаційно-індуковані ГГФРТ-мутації швидко елімінують, це обумовлює можливість використання даного метода лише в ранній період після опромінення.

Визначення мутацій по локусу глікофорина А. Мутації в гені, що кодує білок глікофорин А, ідентифікуються за зміною експресії цього білка на поверхні еритроцитів периферійної крові. Оскільки експресія глікофорина А відбувається уже на початкових етапах еритропоеза, то зміни, що реєструються у зрілих еритроцитах, можуть відбуватись тільки до початку такої експресії в низькодиференційованих

148

попередниках еритроцитів, в тому числі і довгоживучих стовбурових клітинах. Крім того, мутації по локусу глікофорина А суттєво не впливають на життєздатність клітин, що обумовлює тривале збереження таких мутацій та використовувати їх в якості дозиметрів у віддалений період після опромінення. На сьогодні, виявлена залежність частоти мутантних по локусу глікофорина А клітин від дози гострого та пролонгованого опромінення. Однак, необхідно враховувати, що рівень мутацій по локусу глікофорина А, які зберігаються та накопичуються в організмі, може зростати і за дії інших генотоксичних факторів хімічної та фізичної природи. Тому частоту клітин з мутаціями по локусу глікофорина А розглядаються в якості інтегрального показника генотоксичних впливів протягом всього життя особини.

149

Контрольні питання та завдання

1.Якими приладами і пристосуваннями відбувається реєстрація іонізуючого випромінювання та визначення доз опромінення?

2.Наведіть основні характеристики детекторів іонізуючого випромінювання.

3.Принцип фотографічного метода реєстрації іонізуючого випромінювання.

4.Суть методу індивідуальної дозиметрії при застосуванні фотоемульсій.

5.Особливості реєстрації теплових та швидких нейтронів фотографічним методом.

6.Принцип методу авторадіографії та його застосування.

7.Особливості ядерних емульсій, які застосовуються в авторадіографії.

8.Принцип методу реєстрації іонізуючого випромінювання, основаного на іонізації газів. Які гази використовуються і чому?

9.Наведіть залежність впливу електричної напруги між електродами газорозрядного детектора на іонізаційний ефект та поясніть особливості кожної з її областей.

10.Особливості конструкції та застосування детекторів іонізуючого

випромінювання, робота яких основана на іонізації газів:

1)іонізаційні камери;

2)пропорційні детектори;

3)детектори Гейгера–Мюллера.

11.Особливості будови та використання самогасних і несамогасних детекторів Гейгера–Мюллера.

12.Що таке рахункова характеристика газорозрядних детекторів і яке її значення.

13.Особливості роботи галогенних газорозрядних детекторів.

14.Особливості роботи та застосування іскрових іонізаційних камер та камери Вільсона.

15.В чому полягає суть явища сцинтиляції?

16.В чому полягає принцип роботи сцинтиляційного детектора?

17.Принцип роботи фотоелектричного помножувача ФЕП і його застосування для реєстрації сцинтиляції та люмінісценції.

18.Наведіть схему будови твердотільного сцинциляційного детектора. Які існують його модифікації?

19.Які речовини використовуються як неорганічні сцинтилятори для реєстрації іонізуючих випромінювань і чому? Наведіть їх основні сцинтиляційні характеристики.